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상대성이론과 더불어 현대물리학의 두 기중을 이룬다고 알려진 양자역학은 그 난해성으로 유명하다. 이는 양자역학 자체가 가지는 “비논리성” 때문이다. 우리의 선조로부터 이어온 인간의 제한된 경험은 우리를 ‘양자역학 세상’과 동떨어지게 만든다. 분명 양자역학은 인간이 사는 세상을 설명하는 학문이지만, 같은 세상을 전혀 다르게 인식하고 묘사하는 양자역학을 보자면 우리에게 전혀 생소한 외계어라고 느껴질 수밖에 없다.
양자역학을 처음 접한 이들에게 이 외계어는 완전히 생소하고 전혀 이해가 가지 않는 말에 불과하다. 살아있는 동시에 죽어있는 ‘슈뢰딩거의 고양이’라든지, 하나의 물체가 여러 곳에 동시에 있다든지, 멀리 떨어져 있는 두 물체가 곧바로 상호작용을 한다든지...와 같은 이야기를 들으면 흥미롭기는 하지만 난해한 것은 마찬가지다. 세상에 양자역학을 제대로 이해하는 사람은 몇 안된다는 이야기도 있는데, 평범한 우리가 양자역학이 무엇인지 감이라도 잡을 수 있을까.
이 책은 인간이 양자역학을 이해하기 힘든 이유를 설명하는 것으로 시작한다. 저자인 최강신 교수는 상대성이론을 다룬 전작 『빛보다 느린 세상』에서와 마찬가지로 하나의 (사고)실험 결과에 대한 차분한 접근을 통해 그 현상을 과학적으로 인식하고 해석한다. 이 실험의 특징은 보이는 것만을 인정한다는 것이다. 볼 수 없는 것을 어설프게 표상화하지 않고 받아들일 수 밖에 없는 것만으로 논리를 전개시킨다. 한걸음씩 걸음마를 떼어가듯 나아가는 이 사고실험 과정에서 독자는 모르는 것과 이해할 수 없는 것이 무엇인지 구체적으로 알게 된다. 여기서부터 새로운 이해가 시작된다. 이 세상을 설명하는 새로운 인식 체계가 시작된다.
책의 1부를 통해서 독자는 양자역학이 다루는 것이 무엇이고 그 난해함이 어디에서 비롯되는지를 파악할 수 있다. 이후 2부에서는 파동을, 3부에서는 양자역학의 측정과 해석 문제를 다루고, 4부에서는 편광에 대하여, 5부에서는 얽힘에 대하여 알아본다. 각각의 장의 난이도는 다르지만, 중첩이나 간섭, 얽힘 등 양자역학을 논하는 데에 있어 빠지지 않고 등장하는 모든 개념을 조금 더 쉽게 설명하기 위해 노력했다.
1부의 목표는 양자역학을 직관적으로 이해할 수 없다는 것을 읽는 이들에게 납득시키는 것이다. 실제 실험을 통해 파동이 무엇인지, 입자가 무엇인지를 파악하고, 왜 양자역학에서는 파동과 입자를 구분할 수 없게 되는지를 살펴본다. 양자역학적 효과를 살펴보고 양자역학이 설명하고자 하는 것을 정리하여 독자를 본격적인 양자역학 세상 입문에 대비시키는 것이다.
이 책이 가지는 또 다른 특징 중 하나는 되도록 표준 해석이라고 여겨지는 코펜하겐 해석에 의존하지 않았다는 것이다. 측정과 해석에 대한 새롭고 꼼꼼한 접근을 통해 독자는 양자역학에 접근하는 새로운 방식을 익힐 수 있게 된다. 따라서 양자역학을 처음 접하는 초심자에게는 양자역학이 어떻게 세상을 기술하는지를 설명하고, 양자역학을 표준 해석에 따라 익힌 이들이게는 새로운 해석 방식을 제공할 수 있게 했다.
흔히 양자역학을 미시세계에서만 일어나는 현상의 확률적 기술이라고 생각하지만 저자는 양자역학이 거시세계를 인과론적으로 설명할 수 있다고 이야기한다. “우연에 가려진 세상”은 어떤 얼굴인지, 저자의 안내에 따라 이해할 수 있는 것부터 이해하고 넘어가다 보면, 어느새 독자는 양자역학의 사유 구조 언저리에 도착해 있을 것이다.

양자역학을 처음 접하고 나서 충격을 받지 않은 사람은
아마도 양자역학을 이해하지 못해서일 것이다
“자연이 우리가 알고 있는 대로 행동하면 배울 것이 없을 것입니다.” 영국의 이론물리학자 존 엘리스는 영국의 엘리자베스 2세 여왕을 만나 이와 같은 말을 남겼다. 자연이 우리의 이해와는 다르게 행동한다니, 무슨 뜻일까?
이 질문에 대한 답은 양자역학이 쥐고 있다. 하지만, 양자역학이 자연을 설명하는 이론으로 받아들여지고 100년이 지난 지금도 우리는 양자역학이라는 학문이 어색하고 어렵기만 하다. 아마도 양자역학의 이론이 주로 우리의 눈에 보이지 않는, 아주 작은 세상에서 일어나는 일들만 설명한다고 생각하기 때문일 것이다. 아니면 우연으로 뒤덮인 기묘한 세상을 수학적으로 기술하는 것에 그친다는 양자역학이라는 학문의 한계일지도 모른다.

양자역학에서는 합리적인 것이 먹히지 않는다
- 존 스튜어트 벨
인간의 사유체계는 그 인간이 처한 상황을 이해하고 설명하기에 적합한 구조를 가지고 있다. 19세기 말 과학자들은 뉴턴과 맥스웰의 수학적 이론과 이를 바탕으로 하는 예측으로 그 당시 인식하는 세상을 완벽하게 설명하기 직전에 있다고 생각했다. 하지만 얄궂게도 그런 자신감에 충만하게 된지 얼마 후, 우리가 인식하지 못하던, 하지만 분명히 존재하는, 기존의 과학으로는 이해할 수 없는 세상이 드러났다.
그러나 사실 이 세상을 설명하기 위해 등장한 양자역학도 세상이 왜 그렇게 작동하는지는 설명하지 못한다. 다만 어떤 상황에서 어떤 결과가 나오는지 확률적으로 계산할 수 있을 뿐이다. 그 수학이 뭔가 부족한 것인지, 아니면 완벽한 수학이지만 그저 수학일 뿐인지 알 수 없다. 그래서 양자역학이 개념적으로 미완성이고 기초부터 새로 기술해야 한다는 주장도 있다.

과학은 매일매일의 상식을 조금 더 정교하게 해놓은 것에 지나지 않는다
? 알베르트 아인슈타인
하지만 아인슈타인이 말했듯 과학은 매일 일어나는 일을 조금 더 정교하게 기술하는 것에 불과하다. 양자역학이 “왜”라는 질문에 대답해줄 수 없을지는 모르지만, 이 세상을 조금 더 정확하게 설명한다는 것은 사실이다. 그리고 같은 맥락에서 생각하자면, 어렵고 난해한 양자역학도 결국 우리의 일상을 설명하는 학문에 불과한 것이다.
그러니 양자역학을 이해하는 데에 있어 미리 겁먹을 필요는 없다. 이 책의 목표는 양자역학을 직관적으로 이해할 수 없다는 것을 독자에게 납득시키는 것이다. 양자역학을 이해하는 것은 어렵다. 그러나 불가능한 일은 아니다.
이를 위해서는 다시 실험으로 돌아가야 한다. 해석이 분명하지 않은 수학을 쓰는 대신, 직접 확인할 수 있는 것이 무엇이고 어디까지인지를 다시 살펴보는 것이다. 우리의 눈으로 이상한 일을 확인하고 나면, 양자역학을 이해하는 과정에서 어떤 것이 문제인지를 따져볼 수 있다.
『우연에 가려진 세상』은 한걸음씩 걸음마를 떼어가듯 나아가는 사고실험 과정에서 모르는 것과 이해할 수 없는 것이 무엇인지 구체적으로 설명한다. 여기서부터 새로운 이해가 시작될 것이다. 이 세상을 설명하는 새로운 인식 체계가 시작되는 것이다.

들어가는 이야기: 운동의 문제

1부 이상하고 아름다운
1. 가장 아름다운 실험
2. 실험 결과를 물결로 계산할 수 있다
3. 물체가 두 곳을 동시에 지나가는 것일까?
4. 확률 해석
5. 결정론적 세계에서의 확률
6. 측정 문제와 코펜하겐 해석
7. 입자와 파동의 구별이 없어졌다

2부 파동의 이해
8. 파동
9. 파동은 더해진다. 겹실틈 무늬의 해석
10. 파동은 장애물을 에돌아간다
11. 빛 한 개, 근본적인 파동
12. 파동함수
13. 파동의 변화를 말해주는 슈뢰딩거 방정식
14. 양자

3부 슈뢰딩거의 고양이는 살아있을까
15. 슈뢰딩거의 고양이
16. 측정 문제
17. 보고 싶은 것만 볼 수 있다
18. 불확정성 원리: 두 성질 사이의 긴장 관계
19. 여러 세계 해석
20. 길잡이파 해석
21. 겹실틈의 어디를 지나가는가

4부 편광, 더 단순한 세상
22. 편광
23. 편광을 설명하는 방법
24. 광자 하나의 편광
25. 광자의 편광을 이야기할 때 생기는 문제

5부 얽힘, 그리고 실재에 대한 도전
26. 얽힘
27. 아인슈타인, 포돌스키, 로젠의 제안
28. 벨 부등식과 실험
29. 양자역학의 성공
30. 실재에 대한 도전
31. 양자 정보

부록 자세한 이야기
32. 우리는 전자를 보았을까
33. 파동의 간섭, 푸리에 정리, 불확정성 원리
34. 입자와 파동을 한꺼번에 다루는 해밀톤 역학
35. 전자는 모든 곳으로 간다

용어 설명
참고자료
주석